Осциллограф принцип работы. Электронные осциллографы

Лабораторная работа № 9

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ : ознакомление с принципом действия осциллографа, исследование характеристик, применение осциллографа в качестве измерительного прибора.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

ПРИНЦИП РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА

БЛОК-СХЕМА

Осциллограф это прибор, предназначенный для исследования и регистрации электрических процессов. Блок-схема (рис.1) простейшего осциллографа состоит из следующих элементов:

1. Одним из основных элементов осциллографа является электронно-лучевая трубка, в которой узкий пучок летящих электронов проходит через две пары пластин (пластины “Х” и пластины “Y”) и вызывает свечение экрана. Пластины “Х” и пластины “Y” расположены перпендикулярно друг другу. Если подавать на эти пластины напряжение, луч опишет на экране кривую, называемую осциллограммой.

Рис.1 Блок-схема простейшего осциллографа.

2. Для получения осциллограмм, изображающих зависимость напряжения от времени, необходим генератор горизонтальной развертки. Это генератор пилообразного напряжения, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины “Х” и может меняться по амплитуде и частоте.

3. Амплитуда исследуемого сигнала часто бывает мала. Для увеличения сигнала предусмотрен усилитель вертикального отклонения, а для обеспечения необходимой ширины изображения – усилитель горизонтальной развертки.

4. В результате целого ряда причин частота сигнала не вполне стабильна. Из-за этого осциллограмма становится неустойчивой. Для исключения неустойчивости генератор горизонтальной развертки связывают с исследуемым сигналом, заставляя его работать синхронно с изменениями исследуемого сигнала. Эту функцию в осциллографе выполняет блок синхронизации. Исследуемый сигнал можно подавать либо непосредственно на пластины “Х” или “У”, либо через вертикальный и горизонтальный усилители.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА

Рис.2 Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.

Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением состоит из вакуумной колбы цилиндрической формы с расширением к одному концу в виде конуса (рис.2). Почти плоское основание конуса покрыто слоем люминофора. Это экран трубки Э. Электроны, вылетевшие с катода под разными углами к его поверхности, попадают в электрическое поле цилиндра М, окружающего катод (модулятора), или, как его еще иначе называют, управляющего электрода, имеющего отрицательный потенциал относительно катода. Этим полем, поток электронов сжимается и направляется в отверстие модулятора. Так формируется электронный пучок. Интенсивность пучка, а следовательно и яркость светящегося на экране пятна можно регулировать с помощью потенциометра R 1 , т.к. поле управляющего электрода помимо сжимающего действия на поток электронов оказывает еще и тормозящее действие. При достаточно большом отрицательном потенциале модулятора можно совсем “погасить” пучок. После модулятора электронный пучок попадает в электрическое поле первого анода, или, как его еще называют, фокусирующего цилиндра. На него подается положительное относительно катода напряжение порядка нескольких сот вольт. Это поле ускоряет электроны в пучке и, благодаря своей конфигурации, сжимает электронный пучок. Таким образом, фокусировка луча достигается изменением потенциала первого анода с помощью потенциометра R 2 . Второй анод представляет из себя короткий цилиндр, который располагают непосредственно за первым анодом и подают на него более высокое положительное напряжение (1-5 кВ). этот анод называют еще ускоряющим анодом. В результате электронам сообщается достаточная скорость, чтобы вызвать свечение экрана, а благодаря фокусировке на экране получается светящаяся точка. Система электродов: катод-модулятор-первый анод-второй анод образуют так называемую электронную пушку. Дальше расположены две пары параллельных пластин. Одна из них установлена горизонтально, а другая вертикально. Если к пластинам “Х” и “У” приложить разность потенциалов, то электронный луч будет отклоняться в горизонтальном или вертикальном направлениях. Таким образом, претерпев на своем пути два взаимно перпендикулярных отклонения, электронный луч может быть направлен в любую точку экрана. При отсутствии отклоняющих напряжений на пластинах электронный луч попадает в центр экрана.

ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ОСЦИЛЛОГРАММ

Рис.3 Принцип графического построения.

Если на вертикально отклоняющие платины “У” электронно-лучевой трубки подать переменное напряжение, то электронный луч начнет колебаться в вертикальном направлении и оставит на экране трубки светящуюся вертикальную линию. Если же переменное напряжение подать только на горизонтально отклоняющие пластины “Х”, то на экране получится горизонтальная светящаяся линия. При одновременном воздействии переменных напряжений на обе пары пластин в зависимости от соотношения их частот, амплитуд и фаз можно получить различные осциллограммы. Рассмотрим, что получается, если на обе пары пластин подавать два синусоидальных напряжения, в качестве источников синусоидальных напряжений можно взять напряжение из сети частотой 50 Гц или напряжение от звукового генератора любой частоты в звуковом диапазоне приблизительно до 20 кГц. Возьмем для простоты два синусоидальных колебания одинаковой частоты и одинаковой амплитуды и методом графического построения найдем форму осциллограммы. Принцип построения виден из чертежа (рис.3).

Итак, если синусоидальные напряжения совпадают по частоте и по фазе, то на экране получается неподвижная прямая линия. Методом графического построения легко рассмотреть, что получится на экране осциллографа, если эти напряжения сдвинуть по фазе на любой угол. В общем случае будет наблюдаться эллипс, при сдвиге фаз , и т.д. – окружность, а при 0, , и т.д. – прямая. Математически это выражается системой уравнений:

Исключив из приведенных уравнений время t, получим:

В общем случае это выражение есть уравнение эллипса, а в частном – окружности и прямой.

Если подавать на пластины синусоидальные напряжения различной частоты, то картина на экране усложнится, но ясно, что если частоты этих напряжений будут относится друг другу как целые числа, то через определенные промежутки времени ситуация должна повторяться, и осциллограмма получится неподвижной. Эти неподвижные кривые носят названия фигур Лиссажу.

11. ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ.

11.1 Общая характеристика.

Электронные осциллографы предназначены для:

а) визуального наблюдения формы электрических сигналов,

б) измерения параметров электрических сигналов.

Возможность наблюдения формы изменяющихся во времени электрических сигналов делает осциллограф удобным при определении различных параметров электрических сигналов и одним из самых универсальных измерительных приборов. Следующие достоинства осциллографов обусловили их широкое применение:

Широкий частотный диапазон;

Высокая чувствительность;

Большой динамический диапазон исследуемых сигналов;

высокое входное сопротивление и малая входная емкость.

В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Промышленность выпускает:

Аналоговые и цифровые электронные осциллографы;

Электронные осциллографы для наблюдения и измерения непрерывных и импульсных сигналов;

Универсальные электронные осциллографы, низкочастотные и высокочастотные электронные осциллографы;

Многофункциональные осциллографы со сменными блоками;

Запоминающие осциллографы для регистрации одиночных импульсов;

Одноканальные и многоканальные (в основном - двухканальные) и т.д.

В основе работы любого электронного осциллографа лежит преобразование исследуемого электрического сигнала в осциллограмму, формируемую на экране электронно-лучевой трубки или матричной индикаторной панели.

11.2 Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.

В современных электронных осциллографах визуализация сформированной осциллограммы осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки или матричной индикаторной панели. В настоящее время в осциллографах широкого применения преимущественно используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением.

Простейшая однолучевая ЭЛТ с электростатическим управлением представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Внутри баллона располагаются (см. рис. 1):

Подогревной катод - К;

Модулятор (сетка) – М;

Фокусирующий анод – А 1 ;

Ускоряющий анод – А2;

Две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин - ОП Х (горизонтальные) и ОП У (вертикальные);

Внутренняя поверхность дна баллона покрыта слоем люминофора, способного светиться в месте бомбардировки его электронами, образующего экран трубки Э.

Рисунок 1 – Устройство электронно-лучевой трубки

с электростатическим управлением

Совокупность электродов К, М, А 1 , А 2 называют электронной пушкой. Конструктивно электроды пушки выполняются в виде цилиндров, расположенных на оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов – электронный луч. Интенсивность электронного луча регулируется изменением отрицательного потенциала М относительно К, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Положительное напряжение на А 1 (относительно К) фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получать на экране ЭЛТ светящееся пятно малого диаметра. Для ускорения электронов луча до скорости, обеспечивающей свечение люминофора, на анод А 2 подается высокое положительное напряжение. Сформированный луч проходит между двумя парами отклоняющих пластин ОП х и ОП у и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется соответственно по осям Х и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране ЭЛТ.

При исследовании быстро протекающих процессов с малой частотой повторения или одиночных импульсов электронный луч не успевает приобрести достаточную кинетическую энергию и в достаточной мере возбудить люминофор. Поэтому свечение экрана может быть недостаточным. В современных ЭЛТ дополнительно ускоряют электроны луча при помощи третьего анода А 3 , подавая на него высокое положительное напряжение.

В современных ЭЛО применяются и более сложные ЭЛТ, в частности, многолучевые трубки для одновременного наблюдения 2-х и более сигналов.

11.3 Структурная схема ЭЛО.

Упрощенная структурная схема однолучевого ЭЛО представлена на рис. 2. Исследуемый сигнал U c , осциллограмму которого надо получить на экране ЭЛТ, подается на «Вход У». Через «Входной делитель» и «Усилитель канала У» он поступает на пластины ОП У и управляет перемещением луча в вертикальном направлении. Делитель необходим для работы с сигналами большой амплитуды.

Рисунок 2 – Структурная схема ЭЛО

Для управления перемещением луча в горизонтальном направлении служит «Генератор развертки», выходное напряжение которого поступает на ОП Х через «Усилитель канала Х» (режим линейной развертки). При необходимости «Генератор развертки» можно отключить, установив переключатель П2 в нижнее положение, и подать на ОП Х внешний сигнал со «Входа Х» через «Усилитель канала Х» (режим синусоидальной развертки, т.к. чаще всего подается гармонический сигнал).

11.4 Принцип получения осциллограммы на экране ЭЛТ.

Для получения осциллограммы исследуемого сигнала U c (t) необходимо управлять движением светового пятна на экране ЭЛТ в горизонтальном и вертикальном направлениях. Управление в вертикальном направлении осуществляется исследуемым сигналом U c (t), а в горизонтальном направлении – выходным напряжением генератора развертки. Генератор развертки вырабатывает колебания пилообразной формы U Р (t) (рис. 3).

Рисунок 3 – Осциллограмма пилообразного выходного напряжения

генератора развертки ЭЛО

На участке прямого хода развертки напряжение U Р (t) линейно изменяется от минимального до максимального значения. Если подать U Р (t) на ОП Х, отключив сигнал от ОП У, то луч будет отклоняться только в горизонтальном направлении. При нарастании U Р (t) от минимального до максимального значения, пятно на экране ЭЛТ будет перемещаться от одного крайнего горизонтального положения (пусть слева) в другое (пусть правое) – рис. 4. При достижении второго крайнего положения пятно начинает перемещаться в обратном направлении. Поскольку Т обр << Т пр, скорость движения пятна в обратном направлении значительно выше.

Для получения осциллограммы существенно следующее:

а) минимальное значение Т обр (в схеме ЭЛО это реализуется без проблем);

б) линейность напряжения U Р (t) на участке прямого хода; при этом смещение пятна на экране ЭЛТ будет происходить с постоянной скоростью; форма U Р (t) на участке обратного хода принципиального значения не имеет (на время обратного хода трубка принудительно запирается).

Рисунок 4 – К пояснению процесса формирования

осциллограммы на экране ЭЛТ

Таким образом, при подаче U Р (t) на ОП Х ось Х является одновременно и осью времени. Причем при постоянной скорости перемещения пятна вдоль оси Х масштаб вдоль оси времени t будет постоянным. Нелинейность напряжения развертки на участке прямого хода приводит к неравномерности скорости перемещения пятна по экрану, неравномерности масштаба вдоль оси времени t и искажению осциллограммы.

Изображение на экране ЭЛТ образуется при одновременном воздействии двух напряжений: напряжения развертки U Р (t) на ОП Х и исследуемого сигнала U c (t) на ОП У. Если сигнал U c (t) периодический и его период Т С равен периоду напряжения развертки Т Р, то отдельные осциллограммы, образующиеся на каждом цикле работы генератора развертки, накладываются друг на друга, совпадают и получается изображение (осциллограмма), сформированное в результате наложения на одни и те же места экрана целой серии осциллограмм, т.е. образуется единое неподвижное изображение (осциллограмма) – рис. 5.

Рисунок 5 – Формирование осциллограммы периодического сигнала

Аналогично образуется неподвижное изображение осциллограммы при условии, что Т Р =п ·Т С, где п =1, 2, 3 и т.д. (целое). В этом случае формируется осциллограмма в виде п периодов сигнала.

11.5 Синхронизация в ЭЛО.

Для получения неподвижной осциллограммы необходимо подобрать период (частоту) генератора развертки так, чтобы выполнялось условие Т Р =п ·Т С, где п – целое число. В принципе в схеме любого ЭЛО предусмотрена возможность регулировки частоты развертки (дискретно и плавно, изменяя коэффициент развертки К Г). Однако простого подбора частоты развертки недостаточно, т.к. из-за нестабильности генератора развертки или периода исследуемого сигнала Т С установленное равенство может быть нарушено. Задача обеспечения неподвижности осциллограммы решается путем синхронизации генератора развертки ЭЛО исследуемым сигналом или специально сформированным сигналом, частота которого равна или кратна частоте сигнала U c (t). На структурной схеме ЭЛО (рис. 2) показаны цепи подачи сигнала синхронизации на «Устройство запуска развертки – УЗР» с одного из выходов «Усилителя канала У» (внутренняя синхронизация) и со внешнего входа «Вход синхронизации» (внешняя синхронизация). На схеме не показано соединение генератора развертки с модулятором ЭЛТ для запирания трубки на время обратного хода развертки, т.е. гашение обратного хода луча с помощью специальных гасящих импульсов.

11.6 Дополнительные сведения.

Исследование импульсных и, особенно, непериодических сигналов с помощью ЭЛО имеет ряд особенностей. Одна из них состоит в том, что генератор развертки ЭЛО вследствие своей инерционности вырабатывает пилообразное напряжение развертки с некоторым запаздыванием по отношению к запускающему импульсу (импульсу синхронизации). Это может привести к тому, что начальная часть исследуемого импульса не будет развернута на экране. Для устранения таких искажений в канале вертикального отклонения имеется линия задержки, осуществляющая временной сдвиг (задержку) на некоторое время сигнала, подаваемого на ОП У. Такая задержка позволяет получить изображение всего импульса, включая и его начальную часть. В низкочастотных ЭЛО, предназначенных для исследования периодических процессов, линия задержки может отсутствовать.

Для расширения функциональных возможностей ЭЛО может иметь дополнительные входы, позволяющие осуществлять управление лучом. Так, во многих ЭЛО предусмотрена возможность управления отклонением луча по оси Х внешним сигналом (режим синусоидальной развертки). Для этого у ЭЛО есть «Вход Х», на который подается внешнее управляющее напряжение (обычно синусоидальное) – переключатель П 2 в этом случае ставится в нижнее положение (рис. 2).

Часто в ЭЛО имеются зажимы «Пластины Х» и «Пластины У», позволяющие подавать внешнее управляющее напряжение непосредственно на пластины ЭЛТ.

В некоторых ЭЛО имеется «Вход Z», который через конденсатор или специальный усилитель соединен с модулятором ЭЛТ. Подавая импульсы напряжения на этот вход можно изменять (модулировать) яркость свечения точек осциллограммы в нужные моменты времени.

Для повышения точности измерения амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов ЭЛО имеет калибратор амплитуды (КА) и калибратор длительности (КД), позволяющие контролировать и устанавливать номинальные значения коэффициента отклонения m u и коэффициента развертки К Г. Обычно калибратор представляет собой генератор прямоугольных импульсов с известным и стабильным значением амплитуды и частоты (длительности) импульсов. В положении «Калибровка», меняя усиление УВО, можно добиться требуемого отклонения луча по вертикали и установить нормированное значения коэффициента отклонения m u . По периоду калибровочного сигнала можно проверить и установить нормированное значение коэффициента развертки К Г.

11.7 Цифровые осциллографы.

В цифровых осциллографах исследуемый аналоговый сигнал сразу же во входном блоке подвергается квантованию и дискретизации, т.е. преобразуется в цифровую форму (код), и запоминается в дискретной памяти. Этот код, зафиксированный в памяти, может быть использован для отображения его на экране электронно-лучевой трубки, на плоском матричном экране или другим способом. Структурная схема простейшего цифрового осциллографа показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Структурная схема простейшего цифрового осциллографа.

На рисунке: ВУ - входной усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, Р – регистр памяти, Г – тактовый генератор, Сч – счетчик, УО – устройство отображения (электронно-лучевая трубка, плоский матричный экран, …).

Входной исследуемый сигнал х(t ) усиливается входным усилителем ВУ до необходимого значения х н (t ) и поступает на вход АЦП. Мгновенные значения этого сигнала в моменты времени t k , задаваемые тактовым генератором Г, преобразуются в АЦП в цифровые коды N (t k ) , которые запоминаются в регистре памяти Р. Импульсы генератора Г в моменты времени t k синхронно с формированием кодов N (t k ) подаются на вход счетчика импульсов Сч. В счетчике формируется равномерно нарастающий во времени код М(t k ) . В отображающем устройстве УО цифровые коды N (t k ) преобразуются с помощью ЦАП в електрические сигналы N , управляющие вертикальным перемещением светящейся точки на экране УО, а коды М(t k ) преобразуются в управляющий сигнал М , вызывающий горизонтальное перемещение светящейся точки на экране УО. При полном заполнении счетчик обнуляется, возвращаясь в исходное состояние, а светящаяся точка возвращается в исходное положение на экране УО, подготавливая новый цикл формирования изображения осциллограммы. Таким образом, процесс равномерного набора счетчиком кода М(t k ) и его возвращения в исходное состояние при полном заполнении имитирует временную развертку, аналогично линейно изменяющемуся развертывающему напряжению в аналоговом ЭЛО.

При использовании в отображающем устройстве УО электронно-лучевой трубки коды N (t k ) преобразуются с помощью ЦАПа в напряжение, поступающее на вертикальные отклоняющие пластины ЭЛТ. А коды М(t k ) через ЦАП подаются на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ.

Если УО построено на матричной индикаторной панели, то коды вертикального и горизонтального управления преобразуются в позиционную форму и выбирают одну из строк и один столбец матричной панели, на пересечении которых появляется светящаяся точка.

Достоинства цифровых осциллографов: повышенная точность осциллографирования; возможность полностью автоматизировать процесс измерения; возможность дистанционного управления режимами работы; возможность производить математическую и логическую обработку сигнала; меньшие габариты и масса, устраняется необходимость применения высоковольтных источников питания.

Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон (до 100 МГц), высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки .

Электронно-лучевые трубки.

Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены (рис.4.20) подогреваемый катод К , модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А 1 ускоряющий анод А 2 , две пары взаимно перпендикулярных откло-няющих пластин ОП х и ОП у (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран Э) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронами .

Рис. 4.20. Схема управления лучем электронно-лучевой трубки

Совокупность электродов К , M, A 1 , А 2 называют электронной пушкой. Конструктивно эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов — электронный луч. Для этого на электроды пушки подают напряжение, как показано на рис.4.20, где ЦУЭЛ — цепи управления электронным лучом.

Интенсивность электронного луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе , что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжения на первом и втором анодах формируют электронную линзу для фокусировки потока электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, служит третий анод А3, на который подается высокое положительное напряжение.

Сформированный электронный луч проходит между парами отклоняющихся пластин ОП х и ОП у и под действием напряжений, приложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат X и У, вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки. На рис.4.20 также показана упрощенная схема управления начальной установки луча по оси Y (по оси X управление аналогичное). Меняя положение подвижного контакта переменного резистора («Смещение Y»), можно изменять напряжение на пластинах Y и тем самым смещать луч по экрану.

Чувствительность электроннолучевой трубки равна

где l t — отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением U t приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно S T = 0,5 ÷ 5 мм/В.

Устройство и принцип действия осциллографа.

Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис.4.21) включает в себя электронно-лучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВД, усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки ЛЗ и выходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГР, усилитель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды КА и длительности КД.

Рис.4.21. Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа

Исследуемый сигнал подается на вход Y канала вертикального отклонения, включающего в себя входной делитель и усилитель вертикального отклонения. Выходное напряжение УВО, поступая на вертикальные отклоняющие пластины, управляет отклонением электронного луча в трубке по оси Y.

При подаче переменного напряжения на вход Y электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исследуемого сигнала, развернутого во времени, необходимо смещать (развертывать) луч по оси X с равномерной скоростью. Это осуществляется подачей на отклоняющие пластины ОП х линейно изменяющегося пилообразного напряжения, вырабатываемого генератором развертки ГР .

Принцип развертки изображения иллюстрируется рис.4.22, где даны кривые изменения напряжения и х и u у , подаваемые на пластины ОП х и OП y и получающееся при этом изображение на экране осциллографа. Цифрами 1 - 4, 1’ - 4" обозначены точки кривых в соответствующие моменты времени. Из рисунка видно, что при равенстве периодов напряжений и х и u Y на экране получается неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения и х в п раз на экране появится изображение п периодов исследуемого сигнала.

Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот напряжений их и uY на практике оказывается достаточно сложно вследствие «ухода» частоты генератора ГР и изменения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к неустойчивости изображения сигнала. Для обеспечения устойчивости изображения в осциллографе имеется блок синхронизации БС, который осуществляет изменение частоты генератора ГР (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса.

Для наблюдения непериодических или однократных сигналов используется ждущий режим работы генератора развертки, при котором пилообразный импульс вырабатывается только с приходом исследуемого импульса. Для того, чтобы не потерять изображение на экране начальной части сигнала, в канале вертикального отклонения используется линия задержки ЛЗ. Благодаря ей исследуемый сигнал поступает на пластины вертикального отклонения спустя некоторое время t ЗАД после начала работы генератора развертки.

В осциллографах предусматривается также возможность запуска генератора развертки от внешнего источника сигналов, подключаемого к специальному входу «Вход синхронизации».

Основные характеристики осциллографов.

Коэффициент отклонения К U - отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряжением. Типовой диапазон значений 50 мкВ/дел - 10 В/дел.

Коэффициент развертки К t - отношение времени Δt к отклонению луча, вызванному напряжением развертки за это время. Типовой диапазон значений 0,01 мкс/дел - 1 с/дел.

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого коэффициент отклонения изменяется не более чем на 3 дБ относительно значения на средней частоте. Современные осциллографы имеют полосу пропускания 100 МГц.

Классы точности осциллографов - 1, 2, 3 или 4 при величине основной погрешности измерения напряжения и временных интервалов, соответственно, не более 3, 5, 10, 12%.

Параметры входов осциллографов определяется активным сопротивлением R ВХ (>1 Мом) и входной емкостью С ВХ (единицы пикофарад)

16 Цифровые осциллографы. Структура и принцип работы. Отображение сигнала на экране осциллографа.

Одним из направлений развития современного приборостроения является создание технических средств на основе объединения достижений современной микроэлектроники и информационных технологий. Особенное развитие получило создание интеллектуальных (программируемых) средств измерений на основе современных аппаратно-программные средств.

Указанные средства обладают следующими преимуществами:

возможность обработки результатов измерений;

отображение результатов измерения с использованием возможностей современных графических редакторов;

повышение точности и быстродействия.

В качестве примера рассмотрим цифровые осциллографы (ЦО) – представляющие собой аппаратно-программные средства с очень высокими техническими характеристиками.

По возможностям обработки сигналов и быстродействию ЦО приближаются к специализированным сигнальным процессорам, а по возможностям отображения результатов обработки превосходят их.

Внешний вид осциллографа компании Good Will Instrument Co. Ltd. (GW Instek) серии GDS с цветным ЖК индикатором представлены ниже

1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа

На рис. 1 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО)

МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер;

ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления (кнопки, ручки).

Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодовых словN i , отображающих мгновенные значенияu i этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ. При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первыйN 1 исчезает, как бы «выталкивается». Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либоu i впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав микроконтроллера МК.

Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово N i , находящееся в этой ячейке.

Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.

Таким образом, для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.

Но количество ячеек ОЗУ может быть гораздо больше. Зачем?

ЦО позволяет делать замечательную вещь – запоминать в ОЗУ очень много кодовых слов, а потом «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана. В аналоговых осциллографах это, конечно, невозможно. Для обозначения запаса по оси времени («глубина памяти») иногда пользуются такой оценкой длительности сигнала, данные о котором записаны в ОЗУ: «число экранов». Например, «8 экранов» означает, что объём памяти ОЗУ не 256, а 2048 ячеек, в которых записано 2048 кодовых слов N i . КаждоеN i – это 8-разрядный код, т.е. один байт, т.ч. «8 экранов» – это объём памяти в 2 килобайта. Можно вообразить очень широкий экран-ленту – в 8 раз шире натурального, но такой же высоты. На такой ленте было бы записано изображение всего сигнала. Длина этой ленты около одного метра.

Ещё одно принципиальное отличие от аналоговых осциллографов состоит в том, что в ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». Кодовые слова переписываются из ОЗУ в ЗУ так, что в момент появления импульса запуска первой ячейкой ЗУ будет та, что даёт точку на вертикальной линии, проходящей через центр экрана, последующие точки располагаются направо от неё, предыдущие – налево. Положение первой ячейки можно смещать влево или вправо от центра и тем самым соответственно уменьшать или увеличивать видимый интервал предыстории.

Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.

В целом ЦО имеет больше сходства с компьютером, чем с аналоговым осциллографом. Он позволяет выполнять различные математические операции: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.

2 Отображение сигнала на экране осциллографа

Основным недостатком всех цифровых осциллографов является, то, что они работают не в реальном масштабе времени. Что это означает?

На рис. 2 приведен схематический рисунок отображения сигнала аналоговым осциллографом, цветное поле обозначает область рисунка, отображаемую на экране (кадр). Задержка между кадрами составляет время обратного хода луча и регулируемую временную задержку (именуемую в России "стабильность" за рубежом "HOLD") запуска развертки для получения стабильной синхронизации. Это время достаточно мало по сравнению с временем развертки и поэтому если сигнал от кадра к кадру изменяется, это изменение немедленно отображается на экране, это и есть отображение сигнала в реальном времени. Динамика сигнала как по вертикали, так и по -горизонтали соответствует изменениям входного сигнала.

Цифровой осциллограф использует абсолютно другой принцип работы. Входной сигнал, в размере выбранного кадра, пройдя все входные усилители и аттенюаторы поступает на АЦП, где преобразуется в цифровую форму и поступает во внутреннюю память для дальнейшей обработки (привязки к развертке, выводу на экран, измерение параметров и т.д.), время этой обработки достаточно велико по сравнению с временем кадра, задержка при выводе на экран получается достаточно большая, часть информации об изменении сигнала между кадрами теряется бесследно (см.рис.3). Это и есть отображение входного сигнала в нереальном масштабе времени - главный недостаток всех цифровых осциллографов. Его можно попытаться сгладить, но избежать нельзя!

Итак, первое искажение сигнала возникает при дискретизации входного сигнала в АЦП. Чаще всего в цифровых осциллографах используются 8-и разрядные АЦП - это 256 отсчетов по амплитуде, что вполне достаточно для исследования сигнала.

Но как входной сигнал записывается в АЦП? Тут пути разных производителей расходятся. Самый простой способ - выбрать как можно большую частоту дискретизации (исходя из соображений целесообразности и полосы пропускания) и записать их в память. Такая дискретизация, с жестко установленным временем между точками дискретизации, называется периодической (или регулярной) и используется в осциллографах Tektronix.

При этом способе дискретизации генератор, задающий шаг дискретизации запускается однократно, его сигнал показан в виде импульсной последовательности на рис. 4.

Шаг дискретизации То задается периодом импульсов, показанных на рис. 4, частота дискретизации равна

Недостатком такого способа является то, что информация между точками дискретизации (красные точки наложенные на сигнал) теряется безвозвратно, не смотря на высокую скорость дискретизации (см. рис 4 и 5) и объем внутренней памяти, в которой происходит дальнейшая обработка ограничен (но об этом немного ниже). Достоинством - простота и самое главное возможность исследовать однократные сигналы с той же достоверностью, что и периодические.

Естественно, изменения сигнала между точками дискретизации не отображаются на экране, поэтому отображение сигнала на экране искажается, как показано справа на рис.5, этот "дефект заложен конструктивно".

В некоторых моделях ЦО использует другой способ дискретизации входного сигнала - нерегулярной дискретизации. Например, дискретизация входного сигнала происходит с частотой 100 Мв/c(Меговыборок в секунду), при этом осуществляется несколько циклов развертки (дискретизации)N, сдвинутых относительно друг друга во времени на величину ΔTi(см. рис. 6).Этот способ дискретизации требует большого объема памяти ОЗУ и последующей обработки.

Сдвиги каждого периода развертки выбираются случайно и повторные попадания в ранее выбранные точки исключаются, при этом точки дискретизации на сигнал накладываются в Nраз чаще. Если частота дискретизации в циклеFд, то при нерегулярной дискретизации частота дискретизации равнаNFд, а шаг дискретизации 1/NFд, т.е. вNраз меньше.

За количество N периодов развертки на периодическом сигнале не остается точек, не подвергшихся дискретизации, включая мелкие детали (см. рис.6 и 7). Достоинством такого способа является возможность использовать "длинную" память и большая достоверность воспроизведения периодических сигналов.

Для непериодических (однократных) сигналов указанный способ дискретизации непременим.

Демонстрируя возможность измерения однократных сигналов, обратимся к рис 8. и 9. Для отображения одного периода синусоиды достаточно 20 точек. Рис 8 представляет собой сигнал частотой 30 МГц на однократной развертке при частоте дискретизации 100 Мв/c. При этом на один период синусоиды приходится 3 точки, в результате отчетливо видны существенные искажения сигнала. На рис 9 сигнал частотой 5 МГц, на период приходится 20 точек и существенные искажения, как видно отсутствуют.

Картина для осциллографов Tektronix с частотой дискретизации 1 Гв/c(Гиговыборок/с) совсем иная, за счет высокой частоты дискретизации однократные сигналы передаются практически без искажения, так на рис 10 и 11 изображены сигналы частотой 100 МГц и 70 МГц, соответственно на однократной развертке.

Электронно-лучевые осциллографы .

Электронно-лучевые осциллографы – приборы, предназначенные для визуального наблюдения форм исследуемых электрических сигналов. Кроме того, осциллографы могут применяться для измерения частоты, периода и амплитуды.

Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (смотри рисунок), напоминающая по форме телевизионный кинескоп.

Экран трубки (8) покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) (1) и катода (2). Между “пушкой” и экраном размещены модулятор (3), регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода (4 и5), создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной Y (6) и вертикальной X (7) осям.

Работает электроннолучевая трубка следующим образом:

На нить накала подают переменное напряжение, на модулятор постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины (пластины Пх), а также ”рисующей” на экране форму исследуемых колебаний (пластины Пу).

Чтобы представить, как получается на экране изображение, экран трубки представим в виде окружности (хотя у трубки он может быть и прямоугольный) и поместим внутри нее отклоняющие пластины (см. рисунок). Если подвести к горизонтальным пластинам Пх пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Пх, подать на другую пару пластин (вертикальных - Пу), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности “изогнется” по форме колебаний и “нарисует” на экране изображение.

В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний, на экране будет изображение одного периода синусоиды. При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе имеется регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.

Структурная схема осциллографа.

На рисунке изображена структурная схема осциллографа. На сегодняшний день существует большое число различных по конструкции и назначению осциллографов. По-разному выглядят их лицевые панели (панели управления), несколько отличаются названия ручек управления и переключатели. Но в любом осциллографе существует минимально необходимый набор узлов, без которых он не может работать. Рассмотрим назначение этих основных узлов. На примере осциллографа С 1-68.

На рисунке:

ВА- входной аттенюатор; ВК- входной каскад усилителя; ПУ- предварительный усилитель; ЛЗ- линия задержки; ВУ- выходной усилитель; К- калибратор; СБ- схема блокировки; УП- усилитель подсвета; СС- схема синхронизации; ГР- генератор развертки; ЭЛТ- электроннолучевая трубка.

Схема работает следующим образом.

Блок питания

Блок питания обеспечивает энергией работу всех узлов электронного осциллографа. На вход блока питания поступает переменное напряжение, как правило, величиной 220 В. В нем оно преобразуется в напряжения разной величины: переменное 6,3 В для питания нити накала электронно-лучевой трубки, постоянное напряжение 12-24 В для питания усилителей и генератора, около 150 В для питания оконечных усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча, несколько сотен вольт для фокусировки электронного луча и несколько тысяч вольт для ускорения электронного пучка.

Из блока питания кроме выключателя питания, выведены на переднюю панель осциллографа регуляторы: “ФОКУСИРОВКА” и “ЯРКОСТЬ” При вращении этих ручек изменяются напряжения, подаваемые на первый анод и модулятор. При изменении напряжения на первом аноде, меняется конфигурация электростатического поля, что приводит к изменению ширины электронного луча. При изменении напряжения на модуляторе изменяется ток электронного луча (изменяется кинетическая энергия электронов), что приводит к изменению яркости свечения люминофора экрана.

Генератор развертки

Выдает пилообразное напряжение, частоту которого можно изменять грубо (ступенями) и плавно. На лицевой панели осциллографа они называются “ЧАСТОТА ГРУБО” (или “ДЛИТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕРТКИ”) и “ЧАСТОТА ПЛАВНО”. Диапазон частот генератора весьма широк - от единиц герц до единиц мегагерц. Около переключателя диапазонов проставлены значения длительности (продолжительности) пилообразных колебаний.

Усилитель канала горизонтального отклонения

С генератора развертки сигнал подается на усилитель канала горизонтального отклонения (канала X). Этот усилитель необходим для получения такой амплитуды пилообразного напряжения, при которой электронный луч отклоняется на весь экран. В усилителе расположены регулятор длины линии развертки, на передней панели осциллографа он называется “УСИЛЕНИЕ X“ или “ АМПЛИТУДА X”, и регулятор смещения лини развертки по горизонтали.

Канал вертикальной развертки

Состоит из входного аттенюатора (делителя входного сигнала) и двух усилителей - предварительного и оконечного. Аттенюатор позволяет выбирать нужную амплитуду рассматриваемого изображения в зависимости от амплитуды исследуемых колебаний. С помощью переключателя входного аттенюатора, амплитуду сигнала можно уменьшить. Более плавные изменения уровня сигнала, а значит и размера изображения на экране, получают с помощью регулятора чувствительности оконечного усилителя канала Y. В оконечном усилителе этого канала, как и канала горизонтального отклонения, есть регулировка смещения луча, а значит, и изображения, по вертикали.

Кроме того, на входе канала вертикального отклонения стоит переключатель 1, с помощью которого можно либо подавать на усилитель постоянную составляющую исследуемого сигнала, либо избавляться от нее включением разделительного конденсатора. Это в свою очередь, позволяет пользоваться осциллографом как вольтметром постоянного тока, способным измерять постоянные напряжения. Причем входное сопротивление канала Y достаточно высокое - более 1 МОм.

О ДРУГИХ РЕГУЛИРОВКАХ

У генератора развертки есть еще один переключатель - переключатель режима работы развертки. Он также выведен на переднюю панель осциллографа (на структурной схеме он не указан). Генератор разверток может работать в двух режимах: в автоматическом - генерирует пилообразное напряжение заданной длительности и в ждущем режиме - “ожидает” прихода входного сигнала, и с его появлением запускается. Этот режим бывает необходим при исследовании сигналов появляющихся случайно, либо при исследовании параметров импульса, когда его передний фронт должен быть в начале развертки. В автоматическом режиме работы случайный сигнал может появиться в любом месте развертки, что усложняет его наблюдение. Ждущий режим целесообразно применять во время импульсных измерений.

Синхронизация

Если между генератором развертки и сигналом нет никакой связи, то начинаться развертка и появляться сигнал будут в разное время, изображение сигнала на экране осциллографа будет перемещаться либо в одну, либо в другую сторону - в зависимости от разности частот сигнала и развертки. Чтобы остановить изображение нужно “засинхронизировать” генератор, т.е. обеспечить такой режим работы, при котором начало развертки, будет совпадать с началом появления периодического сигнала на входе Y (скажем синусоидального). Причем синхронизировать генератор можно как от внутреннего сигнала (он берется с усилителя вертикального отклонения), так и от внешнего, подаваемого на гнезда “ВXОД СИНXР.”. Выбирают тот или иной режим переключателем S2 - ВНУТР.- ВНЕШН. синхронизация (на структурной схеме переключатель находится в положении “внутренняя синхронизация).

Принцип синхронизации поясняет следующая диаграмма.

Для наблюдения высокочастотных сигналов, когда их частота во много раз превышает принципиально возможную частоту каналов усиления осциллографа, применяют стробоскопические осциллографы.

Принцип работы стробоскопического осциллографа поясняет следующая диаграмма.

Осциллограф работает следующим образом: Каждый период исследуемого напряжения u(t) формируется синхронизирующий импульс Uc, который запускает генератор развертки. Генератор развертки формирует напряжение пилообразной формы, которое сравнивается со ступенчато - нарастающим (на U) напряжением (см. диаграмму). В момент равенства напряжений формируется строб – импульс, причем каждый последующий период строб – импульса увеличивается по отношению к предыдущему на величину t. В момент прихода строб – импульса формируется импульс выборки. Его амплитуда равна амплитуде исследуемого сигнала и выводится на экран осциллографа. Таким образом, на экране получается изображение в виде импульсов, амплитудная огибающая которых, соответствует исследуемому сигналу только “растянутому” во времени. Стробоскопические осциллографы применяются в телевизионной, радиолокационной и других видах высокочастотной техники.

Погрешности осциллографов .

У осциллографов, при измерении напряжений, выделяют следующие погрешности:

Применение осциллографов.

1. Измерение амплитуды исследуемого сигнала.

Измерение амплитуды исследуемого сигнала может быть произведено следующими методами:

Измерение амплитуды методом калиброванной шкалы . Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемая амплитуда U m определяется как U m = K oh . К о - коэффициент отклонения по вертикали.

Измерение амплитуды методом замещения . Метод основан на замещении измеряемой части сигнала калиброванным напряжением. (Метод рекомендуется применять при измерении малых напряжений).

Измерение амплитуды методом противопоставления . Метод заключается в том, что в дифференциальном усилителе входного канала Y исследуемый сигнал компенсируется калиброванным. Метод обеспечивает высокую точность при измерении малых сигналов.

2. Измерение временных интервалов.

Измерение временных интервалов методом калиброванной шкалы . Метод основан на измерении линейных размеров периода изображения по оси Х непосредственно по шкале экрана ЭЛТ. Измеряемое время t x определяется как t x =K pl M p . К p - коэффициент развертки, М р - мсштаб развертки по оси Х, l- длина периода изображения на экране ЭЛТ.

Измерение временных интервалов с помощью калибрационных меток . Метод основан на создании в кривой исследуемого сигнала яркостных меток образцовой частоты. Это достигается подачей на модулятор ЭЛТ (вход Z) сигнала с измерительного генератора.

Измерение временных интервалов с помощью задержанной развертки. Метод основан на смещении изображения вдоль линии развертки относительно выбранной неподвижной точки (линии шкалы). Отсчет производится по регулировочной шкале “задержка”.